• Nem Talált Eredményt

1.4. A diffúzió elmélete

1.4.4. Kölcsönös diffúziós probléma

A legtöbb gyakorlati problémánál az összetétel nagy koncentrációtartományban változik, és a diffúziós együttható összetételtől való függése nem hanyagolható el. Ilyen például a kölcsönös diffúzió folyamat kétalkotós (A/B) diffúziós párban. A kísérlet során a két anyagot kontaktusba hozzuk és hőkezeljük. A hőkezelés hatására diffúziós áram indul meg mindkét irányban, melyek nem szükségszerűen egyformák. Az áramok különbözősége azt jelenti, hogy a diffúziós zónában lévő bármely síkon keresztül – így az eredeti határfelületen keresztül is –, egy eredő térfogatáram folyik, vagyis a folyamat során a határfelület egyik oldalára több anyag kerül, mint a másikra. Ennek következményeképp a mintában inhomogén mechanikai feszültségtér épül fel, mivel a határfelület egyik oldalán a minta kitágul, míg a másikon összehúzódik. A felépülő feszültség egyrészt befolyásolja a diffúziós áramokat, másrészt valamilyen módon, pl. plasztikus deformációval [29], extrém esetben törések, repedések létrejöttével [30,31] relaxál. Amennyiben a relaxáció ideje jóval kisebb, mint a kölcsönös diffúziós kísérlet teljes időtartama, akkor a kialakult feszültségek diffúziós áramra gyakorolt hatása elhanyagolható. Meg kell említeni, hogy a diffúziós áramok különbsége helyről helyre folytonosan változik, a minta szélén (az eredeti határfelülettől messze) pedig biztosan nullára csökken, ugyanis ott mindkét atomi áram értéke zérus.

Amennyiben a diffzió vakancia mechanizmussal történik és feltesszük, hogy a folyamat során az egységnyi térfogatra jutó rácshelyek megmaradnak, akkor a következő egyenlettel bevezethetjük a vakanciák áramát:

~jv+~jA+~jB = 0 (1.43)

Az egyenletben a vektor-jelek csak az áramok irányának figyelembevételére utalnak, a vizsgált probléma továbbra is egydimenziós. Mivel az egyenletben szereplő vakanciaáram

|~jv|=|~jA| − |~jB|= ∆j

a minta hosszában (a diffúzió irányában) nem megmaradó mennyiség, a minta bizonyos részein vakanciáknak kell keletkeznie, máshol pedig vakanciáknak kell elnyelődnie. A keletkezés-elnyelődés pl. a diffúzió irányára merőleges atomi síkok, éldiszlokációk mozgásával történhet. Ahol vakanciák keletkeznek, ott atomsíkok épülnek fel, míg a másik oldalon atomsíkok "húzódnak" ki, tűnnek el mint ahogyan az az 1.3 sematikus ábrán látható. A folyamat kísérletileg könnyen megfigyelhető, ha az eredeti kontaktust megjelöljük olyan anyaggal, ami biztosan nem vesz részt a diffúzióban. A kölcsönös diffúziós folyamat eredményeképp ezek az inert-jelek elmozdulnak a minta végéhez képest, mégpedig – a fenti kvalitatív magyarázat szerint – a gyorsabban diffundáló komponens irányába. A jelenséget Kirkendall effektusnak nevezzük.

A magyarázathoz a már eddig használt, a kristályrácshoz rögzített koordináta-rendszeren kívül egy újabb vonatkoztatási rendszert is be kell vezetnünk, mégpedig azt amelyben a mérések történnek, vagyis a minta végéhez rögzített koordináta-rendszert.

Ebben a rendszerben mérjük a koncentrációprofilokat, valamint a fentebb említett Kirkendall jelek elmozdulását is. Ebben a koordináta-rendszerben CA+CB = állandó, vagyis a két koncentrációprofil egyforma, csak ellentétes lefolyású. A folyamat így egyetlen paraméterrel, a ˜D kölcsönös diffúziós együtthatóval jellemezhető, ami a Fick egyenletből számítható ki, bármelyik koncentrációprofil felhasználásával. A minta végéhez rögzített koordináta-rendszert laboratóriumi rendszernek is szokás nevezni. Ebben felírva a két komponens diffúziós áramát:

1.3. ábra. Kölcsönös diffúzió esetén a vakanciák keletkezése-elnyelődése éldiszlokációk mozgásával történhet. Ahol atomsíkok épülnek fel ott vakanciák keletkeznek, ahol atomsíkok tűnnek el, ott a vakanciák elnyelődnek. A négyzetek a vakanciákat reprezentálják. Az ábrán markerekkel megjelölt sík a vakancia nyelők irányába mozog v sebességgel.

jA =−D˜∂CA

∂x jB =−D˜∂CB

∂x , (1.44)

ahol az anyagmegmaradás miatt (CA+CB= áll.) a mintában minden helyen:

jA +jB = 0. (1.45)

Darken [32] klasszikus megközelítését alkalmazva a két vonatkoztatási rendszer közt az alábbi összefüggés teremt kapcsolatot:

jA =jA+CAv

jB =jB+CBv. (1.46)

Az (1.45) feltétel valamint az saját diffúziós együttható (1.36) definíciójának felhasználásával:

v= ( ¯DAD¯B)∂XA

∂x , (1.47)

aholXA=CA/(CA+CB), azAkomponens atom, vagy móltörtje. Beírva ezt az eredményt az (1.46) egyenletbe:

jA =−D¯A∂CA

∂x + CA CA+CB

( ¯DAD¯B)∂CA

∂x

=−D˜D

∂CA

∂x , (1.48)

ahol

D˜D =XBD¯A+XAD¯B, (1.49)

az ún. Darken féle kölcsönös diffúziós együttható, ami az (1.42) kifejezés felhasználásával felírható részletesebb formában:

D˜D = (XBDA+XADB)ΦW. (1.50) A (1.47) és (1.49) egyenletekből álló egyenletrendszert Darken-egyenleteknek, a ˜DD

együtthatót Darken-együtthatónak nevezik. A pontosabb (1.50) kifejezésben szereplő W vakanciaszél értéke kicsi, köbös struktúrákban 1-hez közeli – pl. fcc szerkezetben W <1.07, ha DA/DB <3 [14,27] –, így kísérletileg nehezen kimutatható, a kiértékelések során általában el szokták hanyagolni. A termodinamikai faktor hatása jóval nagyobb, 1/2 és 3 körüli értékek is előfordulnak, ami a modern mérési módszerekkel jól detektálható különbséget eredményez.

Az eddig követett gondolatmenet során feltételeztük, hogy a vakanciák keletkezése és elnyelődése közt eltelt idő jóval rövidebb, mint a kölcsönös diffúziós kísérlet teljes időtartama. Amennyiben nem ez a helyzet, azaz a vakancia források és nyelők nem elég gyorsak a folyamat teljes idejéhez képest, a vakanciák árama zérus lesz és az ún.

Nerst-Planck tartományba kerülünk. Ez akkor fordulhat elő, ha a diffúzió során felépülő feszültség nem tud elég gyorsan relaxálni, vagyis a Fick törvényben a drift tagban szereplő hajtóerő jelentőssé válik diffúziós taghoz képest. Tekintsük példaként a mechanikai feszültség miatt felépülő hajtóerőt:

F =−Vm∂p

∂x,

ahol Vm az átlagos móltérfogat,p pedig az indukált feszültégtérben keletkező nyomás. A drift taggal kiegészített diffúziós áramokat a rácshoz rögzített vonatkoztatási rendszerben – amit Kirkendall vonatkoztatási rendszernek is hívnak – két komponens esetére felírva:

jA=−DA∂CA

A lassú relaxáció miatt a vakanciaáram zérus, vagyis jA+jB= 0. Ezt felírva, kifejezhető a nyomás gradiense:

amit visszaírva pl. jA-ba kapjuk:

jA=− DADB

XADA+XBDB

∂CA

∂x . (1.52)

Ezzel egy újabb kölcsönös diffúziós együtthatót definiáltunk a következő alakban:

D˜ = DADB

XADA+XBDB. (1.53)

Nem ideális szilárd oldat esetén, a korábbiakhoz hasonlóan itt is figyelembe kell vennünk a termodinamikai faktort, azaz:

D˜ = DADB

XADA+XBDBΦ≡D˜N P. (1.54) Az így definiált ˜DN P kölcsönös diffúziós együtthatótNerst-Planck együtthatónaknevezzük.

A Darken és a Nerst-Planck együtthatók

A fenti származtatásból látható, hogy míg Nerst-Planck limitben a diffúzió sebességét a lassabb, addig a Darken közelítésben a gyorsabb komponens öndiffúziós együtthatója határozza meg. A két modell a diffúziós folyamat két határesetét írja le.

A Darken közelítés során feltételeztük, hogy a rendszerben lévő vakancia források és nyelők elegendően effektívek ahhoz, hogy mindenhol egyensúlyi vakancia koncentrációt tartsanak fenn. Ekkor a két komponens eltérő atomi áramát a vakanciák árama kompenzálja.

Nerst-Planck határesetben a vakancia források és nyelők nem elég effektívek, az eltérő atomi áramok következtében nem-egyensúlyi vakancia-koncentráció jön létre [33–35].

Ezen felül, a két kölcsönös diffúziós együttható más-más hossz és időtartományban érvényes [36]. A Darken együttható olyan folyamatot ír le, ahol a diffúziós folyamattideje jóval hosszabb a vakanciák átlagos τv életidejénél, ami a keletkezésük és az elnyelődésük közt eltelt idő:

t τv

Cv,

ahol Cv a vakancia koncentráció. Ez másképpen fogalmazva azt jelenti, hogy a vakancia források és nyelők közti távolság jóval kisebb, mint a diffúziós zóna szélessége:

qD˜DtpDvτv.

A kifejezésekbenDv a vakanciák diffúziós együtthatója. A másik határesetben a diffúziós folyamat nagyon rövid ideig és rövid távolságon játszódik le:

t τv

Cv

, illetve a diffúziós hosszakkal kifejezve:

qD˜N PtpDvτv,

vagyis a diffúziós zóna szélessége jóval kisebb, mint a vakancia források és nyelők közti távolság.

Úgy is fogalmazhatunk, hogy a Darken nevéhez köthető megközelítés makroszkopikus mintákon, hosszú ideig zajló méréseknél, míg a Nerst-Planck közelítés rövid idejű, nano-skálán végzett kísérletek esetén alkalmazható [25].

Változó atomi térfogat

Kölcsönös diffúzió esetén két alkotót feltételezve, egyszerű termodinamikai összefüggések alapján származtatható a következő összefüggés [37,38]:

Vm2dCAVBdXA= 0 (1.55)

ahol Vi az i-edik komponens (i = A vagy B) parciális moláris térfogata, Vm a moláris térfogat, Xi pedig az i-edik komponens atomtörtje 3. Ekkor az egyes komponensek intrinszik diffúziós árama így írható:

JA=−D¯AVB Vm2

∂XA

∂x és JB=−D¯BVA Vm2

∂XB

∂x . (1.56)

3A kifejezés származtatását ld. a6.1függelékben.

A korábban használt Darkeni eljárást követve a Kirkendall sebességre, illetve a kölcsönös diffúziós együtthatóra a következő kifejezéseket kapjuk:

v=VB( ¯DBD¯A)∂CB

∂x (1.57)

D˜ = (CBVBD¯A+CAVAD¯B)W. (1.58) A számítás során felhasználtuk, hogy Ci = Xi/Vm; (i = A vagy B), valamint, hogy XA+XB = 1.